高性能地震检波器测试系统

2014-02-19王庆禹刘建萍韩文刚巩庆刚

石油工业技术监督 2014年2期

田磊，王庆禹，刘建萍，韩文刚，巩庆刚

中国石油东方地球物理公司装备服务处石油物探计量中心（河北涿州 072751）

检波器作为地震勘探采集数据的源头部件，其质量决定着采集数据的精度和可靠性。为了对检波器的生产和使用进行客观评价和质量控制，对新研制的检波器进行系统测试，由东方地球物理公司石油物探计量中心承担研制了高性能地震检波器测试系统。该系统相对真实的再现了检波器的实际工作方式，测量数据可靠性，测试精度高，可以测量检波器垂直和水平条件震动的响应特性。

1 测试系统原理及结构

高性能地震检波器测试系统主要由驱动检波器工作的振动系统、激光干涉测震系统以及数据处理等组成。

1.1 振动原理及结构

采用振动测试试验的目的在于能模拟检波器实际工作的方式，更精确的测试检波器的特性。本系统采用目前使用最广泛的电磁式振动台，其波形好，工作频率范围宽，动态范围宽，易于控制，如图 1所示，由恒定磁场和位于磁场中能通过交变电流的线圈的相互作用所产生的电磁力来驱动振动台，只要调节动圈线圈的电流大小和方向，就能改变振动台面的速度、位移和方向。

1.2 激光测震原理及结构

为实现对振动环节高精度监测，本系统采用激光干涉原理[1]，如图2所示。反射镜安装在振动台面上，中间的半反半透镜将激光管发出的一束光形成一半透射到反射镜一半折射到参考镜的两束光，这两束光从而能够发生干涉，并能由接收器观测。当振动台上下或左右移动时，反射镜的位置也跟着改变，形成的干涉图样也随之变化。根据干涉原理，可到振动台的振幅情况等。

图1 振动系统结构示意图

图2 迈克尔逊激光干涉仪测量原理示意图

1.3 系统结构及工作原理

为了保证高性能地震检波器测试系统（以下简称振动台测试系统）的运行精度和可靠性，防止震动，电磁等因素的干扰，将试验设施建立在远离城市、高速和铁路，干扰相对较少的地方。为更进一步减少微小震动对系统的影响，将振动台测试系统固定在水泥隔离墩上，测试时检波器和振动台面进行钢性连接，这样在振动台测试系统工作时，检波器就能真实的再现振动台面工作状态。

振动台测试系统的主要组成部件以及运行原理如图3所示。计算机系统通过控制信号源的频率和功率放大器来调节振动台的振动频率和幅度，同时计算机采集激光测振仪与被测样品的输出，将采集的数据通过处理和运算得到振动的位移幅度、速度、加速度、速度灵敏度、输出电压、失真度、相位和响应等值，通过这些数据分析得到检波器的幅频特性、线性，相角、自然频率、假频等一系列技术参数，对分析判断检波器的特性和质量起到关键的作用。

图3 振动台测试系统结构示意图

2 测试系统参数及技术指标

高性能地震检波器测试系统设计技术指标见表1，其设计满足参数满足对检波器中低频段的测试要求，同时不但能测试检波器，对其他类型的振动传感器也能进行测试。

表1 测试系统参数

本中心作为计量机构，所有测试设备均需溯源校准，为校准振动台测试系统的实际技术指标，采用经过在中国计量科学院溯源的标准三分量传感器进行测试和验证，其验证结果如下。

2.1 台面波形失真度

表2为台面波形失真度，通过验证，水平台面波形失真度＜0.8%，垂直台面＜0.9%，整体失真度满足＜1%的要求。

表2 台面波形失真度

2.2 台面不均匀度

因振动台面不是一个点运行，在进行上下或左右振动的时候，台面各个位置难免出现偏振等不均匀振动方式。为保证台面整体稳定运行，不影响测试结果，需要对台面进行不均度测试（图4）。

垂直振动台面为圆形，为验证其均匀度，分别在台面的中心处（点A1），1/2半径处（点B1）和靠近台面边缘处（点C1）3个点测试读数，其测点布置见图4（a）,表3为垂直台面不均匀度。从中看出垂直台面的不均度＜0.9%。

图4 台面测点布置

水平振动台面为矩形，为验证其均匀度，分别在台面的中心处（点 A2），3 个顶角处（点 B2，C2，D2）共4个点测试读数，其测点布置见图4（b）,表4为水平台面不均度。从中看出水平台面的不均度＜0.8%。

3 与检波器测试仪测试方法的比较

检波器测试仪是目前广泛作为测试检波器特性的设备，其测试方法是动圈式检波器工作原理的逆过程，即由检波器测试仪给检波器线圈提供一个脉冲激励，则线圈在磁场中运动，切割磁力线，产生感应电动势。通过得到幅值可以计算出阻尼系数(Bt)、灵敏度(G)、自然频率(Fn)等。但检波器测试仪只能测试动圈速度型检波器，测试过程又受到设备本身精度和环境等因素的影响，不能满足检波器品种多样性和检波器研发技术发展的需要。

高性能地震检波器测试系统则是模拟了检波器实际工作的状态，将检波器与振动台面进行钢性连接，振动台面的振动情况就传导给了检波器，将检波器输出幅值与振动台震动幅值进行对比，能清楚的得到检波器对振动信号的响应情况，从而得出检波器与地震勘探数据采集有关的各种特性，且台面干扰小，数据更真实更准确；本系统还能测试微机电等多种类型的检波器，测试不受被测度对象的多样性影响。这些都是检波测试仪的电激励方式或者白噪声方式无法满足的[2-4]。

表3 垂直台面不均匀度

表4 水平台面不均匀度

4 系统测试方法及测试样例

使用高性能地震检波器测试系统进行样品测试时，先要根据设备启动次序依次启动，同时监控系统以及测试环境到稳定状态后，才可进行测试，在测试过程中禁止在实验室中走动、喧哗或者使用手机等电子设备，以减少对测试过程的干扰而影响测试结果。测试时将检波器固定在振动台面上，检波器与振动台面的之间使用钢性连接法，这样不会产生不必要的位移而影响测试数据的准确性。

该系统在投入运行后，多次参与对检波器大型采购的测试，生产厂商的质检测试，以及新产品研发测试。下面通过该系统测试的几组检波器测试[5]数据分析图来对振动台测试系统的测试效果及测试能力进行说明。

示例1：幅频特性测试是将样品安装在垂直振动台面上，图 5幅频特性测试波形图中图5(a)样品底座与垂直振动台面成0°和倾角15°幅频特性测试结果对比，可以很明显的看出在正常情况下，样品的测试结果都满足标称灵敏度的要求，但是当安装倾角加大后，样品的灵敏度明显变小，说明实际施工中垂直安装检波器的重要性。图5(b)为同一批次10只检波器样品的幅频特性测试数据，样品在500Hz以内的一致性比较好，但是超过500Hz有部分样品也存在部分翘尾情况。

图5 幅频特性测试波形图

示例2：线性特性曲线测试是将样品安装在垂直台面上，图6是2只不同型号样品的测试波形。将台面振动频率固定在31.5Hz，振动速度从0mm/s上升到60mm/s,读取测试样品速度灵敏度和输出电压的数据，可以看出两只样品的线性度都很好，其灵敏度不同。

图7线性测式采样波形图为某样品做线性测试时，当台面振动速度增加后，样品输出的波形不再表现为标准的正弦波，从图7(a)和图7(b)很明显的看出样品波形下端已经出现畸变，与振动台的振动波形（其驱动波形）不一致，其波形失真度达到了11.6%，正向峰值的绝对值＞负向峰值的绝对值，说明样品轴心偏离中心，且测试过程中出现撞顶。

图6 线性测试数据波形图

图7 线性测式采样波形图

示例3：假频测试是将样品安装在水平振动台面，图8假频测试数据波形图，2只样品假频B01＞240Hz，B02＞160Hz。

图8 假频测试数据波形图

图9 假频测试采样波形图

图9假频测试采样波形图，是样品在做假频测试的过程中测试软件时时采集的数据波形，从中可以看出测试过程中振动台工作一直正常，被校传感器输出波形图内白色的为被测样品波形，红色的为标准传感器波形，由于被测样品在测试过程中出现的振动异常，并产生噪声和输出波形异常，因标准传感器安装位置与样品很近，影响到标准传感器的输出波形。测试样品假频时如没有进入假频区域，样品输出电压值很小，从图中可以看出样品对假频测试振动已经产生近似正弦响应。